大阪大学量子情報・量子生物学センター(QIQB)とフィックスターズは、1,024基のNVIDIA H100 GPUを活用し、従来の40量子ビット「ガラスの天井」を超える古典量子シミュレーションにおける新たなベンチマークを確立した。産業技術総合研究所(AIST)のABCI-Qシステムを活用することで、共同チームは量子化学回路の状態ベクトルベースシミュレーションとして世界最大級の実行に成功した。この成果は、将来の耐故障性量子コンピュータ(FTQC)向けアルゴリズムの開発と検証のための、重要な高精度テストベッドを提供するものである。
チームの技術手法は、反復量子位相推定(IQPE)に焦点を当てたものであった。IQPEは量子化学における中核サブルーチンであり、必要な補助量子ビット数を最小化しながら精密なエネルギー固有値を抽出するよう設計されている。研究者らはこのアルゴリズムを「chemqulacs-gpu」シミュレータ内に実装した。これはQulacsライブラリのGPUクラスタ向け最適化版である。IQPEは標準的なQPEよりもリソース効率が大幅に優れているため、エラー訂正ハードウェアが実用化されれば、創薬や材料開発における産業応用の主要候補と見なされている。
このような大規模なハードウェア構成全体で効率を維持するため、チームは高量子ビット数での状態ベクトルシミュレーションを通常停滞させるGPU間通信のボトルネックを解決する専用の並列計算アーキテクチャを開発した。40量子ビットを超える状態ベクトルを分散させるには、天文学的な量のデータを管理する必要がある。量子ビットが1つ増えるごとにメモリ要件は倍増する。フィックスターズは、ABCI-Qクラスタ上の1,024基のH100 GPUを同期させるために必要な性能プロファイリングとチューニングの専門知識を提供し、計算オーバーヘッドが大規模並列化の利点を相殺しないよう保証した。
このシミュレーションは分子複雑性において2つの主要なマイルストーンを達成した。H2O分子に対する42スピン軌道系と、Fe2S2(鉄硫黄)クラスターに対する41量子ビット純粋回路ベンチマークである。鉄硫黄クラスターのモデリングは、その複雑な電子構造のため古典コンピュータでは非常に困難であることで知られているが、窒素固定や光合成などの生物学的プロセスを理解する上で不可欠である。これらのシステムのシミュレーションに成功することで、研究者らは触媒や新材料の発見を最終的に推進するハミルトニアンとゲートシーケンスを検証するために利用可能な分子モデルの規模を拡大した。
この協力は、ハードウェア以前のアルゴリズム検証の戦略的重要性を強調するものである。業界がFTQC時代に近づくにつれ、量子サブルーチンがスケール時に期待通りに機能することを保証する古典的な「ゴールドスタンダード」を持つことが不可欠である。古典スーパーコンピュータ上で42量子ビット回路をシミュレートできる能力により、研究者は今日のうちにソフトウェアスタックの「リスク低減」が可能となり、大規模な耐故障性システムの到来前に分子スクリーニング用産業ツールが厳密にテストされることを保証できる。この研究は、ソフトウェア最適化を量子有用性ロードマップの基盤的柱として扱う成熟した転換を浮き彫りにしている。
完全な技術詳細とGTC 2026プレゼンテーション(セッションP81339)については、フィックスターズの公式発表および大阪大学の研究ニュースを参照されたい。
2026年4月4日
